[发明专利]用于MRI引导的神经外科手术的机器人立体定向系统

说明书

提供了一种用于双侧立体定向术的神经外科手术机器人系统，该系统集成了术中MRI引导。该机器人系统可以在常规的MRI诊断用设施中实施。双侧大脑目标的导航可以独立执行，也可以同时执行。该机器人系统包括多个操纵器、针引导部(31)、设置在针引导部(31)内的针(12)；以及具有用于骨安装的多个螺钉孔的安装基部(39)。

技术领域

本发明的实施例涉及医疗机器人，特别涉及用于磁共振成像(MRI)引导的干预的手术机器人。

背景技术

立体定向术是一种可以使用外部坐标系作为参考来定位手术目标的技术。它在功能性神经外科手术中的应用主要旨在治疗各种运动障碍(例如帕金森氏病(PD)和肌张力障碍)、精神异常和癫痫。仅PD本身是神经系统中仅次于阿尔茨海默氏病的第二大疾病，预计到2030年将影响全球870万人。

脑深部刺激术(DBS)是一种常见的立体定向手术，它是一种可减轻PD和肌张力障碍的运动症状的手术疗法。两个长的(例如300mm)细的DBS针可由立体定向框架单独引导，并通过钻孔插入患者的颅骨。然后，将嵌入在针的尖端的刺激电极植入到关注的脑深部区域，从而递送编程的电脉冲。

尽管立体定向神经外科手术的标准工作流程已经建立了半个多世纪，但由于其复杂的工作流程和对手术准确性的高要求，操作仍然具有挑战性。2-3mm的平均记录误差几乎无法容忍。在开颅手术后不可避免地发生的颅内内容物的大量变形，即“脑移位”，使立体定向导航进一步复杂化。这种移位主要是由于重力、脑脊液(CSF)泄漏、麻醉和手术操纵引起的。它可能会导致术前(pre-op)计划路径的失准(最大10-30mm)，超出实际目标。与荧光透视/CT不同，MRI可以直接可视化关键的大脑结构和关注的目标(例如丘脑下核(STN)、内苍白球(GPi)或腹中间核)。

目前，磁共振(MR)安全立体定向系统的选择非常有限(例如，爱尔兰美敦力公司的和美国MRI干预公司的)。它们通常需要对立体定向框架进行大量的手动调整，并且需要将患者从扫描仪孔中移入和移出。

紧凑性和MRI兼容性是关于常规医院设置中机器人的可行性和适应性的两个关键问题。很少有机器人平台可以装配在MRI头部线圈内，并且在连续成像期间也可以操作而不会降低图像质量。通常，没有用于功能性神经外科手术的机器人系统，其集成了MR安全致动和基于MR的追踪，能够在MRI孔内执行立体定向操纵。

发明内容

本发明的实施例提供了一种用于双侧立体定向手术的术中MRI引导的机器人。立体定向手术的安全性和有效性取决于两个主要因素：(1)在不损坏关键脑组织的情况下，细致地监控电极插入路径；以及(2)以高精度(2mm)到达STN的能力。机器人设计为：i)紧凑，使得可以在头部线圈给出的严格尺寸限制内将机器人主体正确地固定在患者的颅骨上；ii)能够自动进行轨迹规划和仪器对准；iii)独立地进行双侧操纵；以及iv)通过确保机器人平台中不包含任何磁性部件，来满足MRI与ASTM F2503标准的兼容性。通常，机器人的操作不会在成像感兴趣区域(ROI)内引起明显的图像伪影或信噪比(SNR)的显著降低。

本发明的实施例提供了紧凑的设计，其使得机器人能够在标准成像头部线圈的受限空间内双侧地操作。集成了MR安全、高性能的液压传动，其中可预加载工作介质并确保高传动刚度。在模拟的脑深部刺激术(DBS)的针插入任务中已经证明了足够的瞄准准确性。采用了基于MR的追踪技术，并能够在适当的MR追踪序列下提供机器人仪器的实时和连续(30-40Hz)三维定位。该技术优于使用只能在MR图像域中显示的低对比度被动基准点的常规方法。可以利用可以与机器人集成的无线追踪单元/标记，且其包括在柔性薄膜上制成的小型线圈电路。为了可视化机器人仪器的三维定位，已在标准MRI设定下执行了导航测试。MRI兼容性测试已证明对所提出的液压机器人平台的MR图像影响最小。